機載LiDAR與傾斜攝影測量在地質災害中的應用

張小青

(福建水利電力職業技術學院 水利工程系, 福建 永安, 366000)

0 引言

地質災害給人們生命財產安全造成巨大損害,傳統的人工調查效率低,安全風險大、監測不全面、難于有效識別。因此,如何快速準確地評估地質災害信息,更早地識別潛在的地質災害隱患是災害調查研究中的難點之一。近年來,不斷發展的無人機航攝技術逐漸成為地質災害應急的主要技術之一,較傳統測繪而言,無人機航攝技術機動性強、現勢性強、精度高等優勢,能滿足地質災害應急的時效性和精度要求。運用無人機航攝技術獲得地質災害的高分辨率三維模型,從而進行量測與分析處理,獲取地質災害體的坡度、坡向、粗糙度等地貌參數,可為地質災害的搶險救災提供重要的決策支持。

地質災害專家許強等[1]提出了基于天空地一體化的“三查”體系。鄭史芳等[2]基于無人機傾斜攝影獲取的影像,建立高分辨率三維模型以及數字正射影像模型,通過實景三維模型可以直觀地再現地質災害隱患點的地形地貌信息,為地質災害隱患點預警提供有力的依據。詹美斌[3]改進無人機三維建模算法,運用無人機傾斜攝影數據和地質應力探頭數據進行數據融合,生成逐點地質災害風險評估結果。趙博[4]結合無人機傾斜攝影技術和地質調查,建立了地質災害三維管理平臺。禹信等[5]采用無人機遙感獲取泥石流災害影像,基于地理信息系統技術(geographic information system,GIS)提取泥石流災害信息。Julie A等[6]運用衛星影像和無人機傾斜影像數據評估加拿大落基山脈土地覆蓋變化,發現與衛星圖像相比,傾斜的照片更容易檢測到狹窄的景觀特征,估計出的巖石比例更高。Rossi G[7]采用無人機配備了光學攝像機,利用運動恢復結構(structure from motion,SfM)軟件對航空紅綠藍(red、green、blue,RGB)圖像進行分析和組合。通過對獲得的數字地形模型(Digital Terrain Model,DTM)進行對比分析,可以對探測到的滑坡進行精確的重建和測繪。Nichol J E等[8]利用IKONOS立體衛星影像對滑坡地質災害進行評估分析,從立體圖像創建的數字高程模型(digital elevation model,DEM)比運用等高線數據創建的DEM對微尺度地形特征更加準確和敏感,更能提高滑坡地質災害解譯的效率。De Beni E等[9]應用無人機監測活躍的熔巖流，對埃特納火山(意大利)南側3 050～2 600之間的熔巖流場進行了兩次高分辨率無人機調查,獲得熔巖流的正射影像圖,為研究活動熔巖流提供了一種新的技術手段。Sestras P等[10]利用無人機傾斜攝影技術、GIS空間分析技術在易受影響城市環境的淺層滑坡和侵蝕的可持續管理中進行大地測量。

上述文獻多數是基于無人機傾斜攝影技術實現地質災害信息提取,而將傾斜攝影技術、機載雷達以及地質勘測設備等多種技術結合應用于災害點特征信息的提取不多。文章利用無人機載激光雷達(light detection and ranging,LiDAR)和傾斜攝影技術,結合地質勘測設備,豐富翔實的監測數據可為地質災害的監測提供更真實、有力的數據支撐。

1 研究區概況和數據獲取

1.1 測區概況

研究區水電站(圖1)位于尤溪流域的下游,壩頂總長260 m,壩頂高程92 m,設計最大壩高32 m,壩頂寬5.505 m。評估區屬低山丘陵地貌,兩岸山坡高差較大,地形坡面在20°～40°。研究區地形起伏變化較大,變化幅度高差大于80 m,且測量范圍內為密集的樹林,分布灌木叢林,除水電站建筑外,周邊分布較多構筑物。該水電站樞紐區左岸區域,長度約0.9 km,面積約0.23 km2。水電站樞紐區右岸區域,長度約0.8 km,面積約0.06 km2。

圖1 水電站工作范圍

1.2 數據獲取

將無人機遙感技術和無人機載LiDAR相結合,能夠獲得更豐富、更真實的災害點的地形影像數據,具體工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程

1.2.1傾斜攝影數據獲取

收集各種地形和氣象資料,根據三座水電站的工作范圍,設定航攝范圍,并根據測區的高程信息和成圖比例尺的要求,進行航飛分區規劃及航線設計。選擇適飛的天氣條件和時間前往測區開展無人機航攝,以保證航攝時有充足的光照和最小的地物陰影,使影像獲得最佳的清晰度和亮度。航攝的影像經過飛行質量檢查和影像質量檢查通過后方可結束航拍工作,否則需根據實際情況進行局部區域重飛或補飛。

本次作業航拍范圍按原確定的范圍線外擴50～100 m,按航線長度不大于2 km進行分區設計,由無人機飛控軟件根據測區范圍自動進行航線的規劃,按攝區走向直線方法敷設,平行于攝區邊界線的首末航線必須確保視鏡頭能獲得有效點云。無人機獲取的數字表面模型(digital surface model,DSM)、數字正射影像圖(digital orthophoto map,DOM)、數字線劃圖(digital line graph,DLG)如圖3所示。

(a)研究區DSM模型 (b)研究區正射影像圖DOM

1.2.2機載LiDAR數據獲取

由于水電站的周圍地形有許多的高山,以及植被覆蓋率高,機載激光雷達可以透過植被,測量植被覆蓋下的地形可以在被植被覆蓋的地方發現危險源,因此通過機載激光雷達可獲取高精度實景三維地形數據,尤其對高山峽谷、高植被覆蓋區域以及人員無法到達區域,有得天獨厚的優勢。對于坡度、曲率、匯水面等有較大優勢,它有高精度位置與姿態測量系統(position and orientation system,POS)數據、高分辨率光學影像、高密度激光點云的特點,數據處理包括點云計算、平差以及去噪等預處理。機載激光雷達數據如圖3(d)所示。

2 結果與數據分析

為探索無人機傾斜攝影技術在地質災害應用中的精度可行性,選取26個地面檢核點,采用GNSS-RTK測量方式利用千尋基準站實時差分信號,進行采集明顯實地地物點或地貌特征點的平面坐標和高程,成果點平面坐標在數字正射影像模型提取,利用DSM提取高程值,并進行空間坐標誤差分析和高程誤差分析。地物長度值的測量是以全站儀野外實測地物長度(如建筑物、道路標識線等),分別測得20組水平長度和垂直長度值為真值(T),三維模型場景內量測對應長度作為觀測值(O),計算差值Δ以及中誤差m,從而對水平長度和垂直長度進行精度評定。其計算[11-12]如式(1)所示。

(1)

檢核點的平面和高程方向的較差見圖4,ΔL為水平長度差值,ΔH為垂直長度差值，結果如圖5所示。從點位和長度統計結果可知,點平面和高程中誤差分別為0.037 m、0.042 m。最大誤差分別為0.049 m、0.058 m。平面方向和垂直方向的較差都滿足監測要求,平面方向的坐標誤差較穩定,垂直方向的誤差波動較平面方向偏大。

圖4 平面坐標和高程較差

圖5 水平長度和垂直高度較差

3 地質災害危險性現狀評估

基于傾斜攝影及激光雷達獲取的實景三維模型,通過定性分析與定量提取,準確識別地質災害信息。結合現場確認,評估范圍內主要地質災害類型為泥(水)石流(沖溝)、崩塌(危巖、落石),識別地質要素信息,并分析了災害發生后的影響范圍和物源源頭等信息。

3.1 結合地質監測手段,評估地質災害特征

基于真實地表的DEM數據,提取地形地貌特征參數,河流由南西流向北東,河谷寬闊,河床底寬約100 m。兩岸地形基本對稱,且亦相對較完整。壩址兩岸各發育兩條沖溝。高程66～70 m、85～90 m和100 m～107 m分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三級基座階地。根據現場調查測繪,壩區主要的崩塌、危巖、溜塌潛在地質災害點特征如下：位于樞紐區左岸G235邊坡坡面,該處邊坡基巖主體以中風化為主,坡面局部較破碎,并發育多組節理,主要節理有危巖,如危巖攝影圖(圖6)。如圖7可知,P1坡面,L1裂隙1,L2裂隙2。兩組節理關系如表1所示,兩組節理組合切割后,①、②兩組節理的交點與邊坡面投影弧在同一側,且在坡面線外側,說明結構面組合交線的傾向與坡面傾向一致,但傾角小于天然坡角,在坡頂無出露點,屬于較穩定結構。故該處危巖危害程度小,危險性小。

圖6 W1危巖攝影圖

圖7 W1赤平投影圖

表1 節理關系

地形總體較完整、平順,坡面弱風化基巖裸露較多,自然邊坡部分巖坡卸荷裂隙發育、巖體破碎;樞紐區兩岸人為活動的破壞,致使兩岸發生了許多不同程度的崩塌,尤其是左岸公路開挖,使壩上游發生多處庫岸的塌滑。開挖邊坡不利結構面組合及坡面風化卸荷產生有不少危巖,在強降雨、地震等條件觸發下可能發生小規模的崩塌、掉塊;因此,評估區兩岸山坡具備形成崩塌地質災害的地質環境條件[13-15]。

3.2 解譯裂縫發育狀況

根據無人機航測獲取的正射影像數據,解譯裂縫發育狀況。評估區內沖溝具備了泥石流形成的地形地貌和水源條件,但泥石流物源貧乏,物源主要來自于溝谷兩側山坡殘坡積層的沖刷剝蝕,以及坡面零星分布的碎石,山坡植被茂密,覆蓋層薄,提供的物源極為有限。根據《泥石流發育程度量化評分及評判等級標準表》,對樞紐區左岸兩條沖溝自然狀況下各影響因素打分進行綜合評價,如圖8所示,溝1、溝2得分均為56分,泥石流發育程度均為弱發育,發生泥石流可能性小,但在大暴雨等極端天氣條件下具備發生山洪-稀性泥石流(水石流)的條件。

圖8 左岸沖溝全景圖

4 結束語

文中運用無人機傾斜攝影技術,機載LiDAR對水電站地質災害進行評估。對采用傾斜攝影技術以及機載LiDAR技術應用于地質災害進行了探索和研究,并對其三維模型的準確性進行了檢驗。實驗結果表明,機載非接觸的無人機傾斜攝影技術在地質災害評估與識別中的應用,具有效率高、安全方便等優勢,能夠快速獲取災害點高分辨率三維模型數據以及高精度地形數據。機載激光雷達技術能夠透過植被,獲取植被覆蓋下的地形數據,很好地克服了傳統監測不全面的問題。同時,高精度的實景三維模型可以直觀呈現地質災害特征信息,可清晰識別、分析和量測災害信息。因此,將無人機攝影測量技術、機載激光雷達技術,地質災害常規調查技術相結合,實現多種技術手段優勢互補,大大減少人工野外實地調查工作量,實現地質調查手段從實地調查到空地一體化,調查成果實現從二維到三維。豐富的調查成果數據為災害評估以及災害救援提供更有利的數據支撐。